过压保护装置及其方法与流程

相关申请的交叉引用

本发明要求于2018年6月5日提交美国专利商标局、序列号为62/680,638、发明名称为“overvoltageprotectiondeviceandmethodthereof(过压保护装置及其方法)”的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本发明中。

本发明涉及过压保护装置，并且在特定实施例中，涉及无线电力传输系统的接收器中的过压保护装置。

背景技术：

随着技术进一步发展，无线电力传输作为一种用于为诸如移动电话、平板pc、数码相机、mp3播放器等基于电池的移动装置供电或充电的高效且便利的机制出现。无线电力传输系统通常包括原边发射器和副边接收器。原边发射器通过磁耦合而磁耦合到副边接收器。该磁耦合可由松散耦合的变压器实现，该松散耦合的变压器具有在原边发射器中形成的原边线圈和在副边接收器中形成的副边线圈。

原边发射器可包括诸如功率转换器的原边的功率转换单元。功率转换单元耦合到电源，并且能够将电功率转换成无线功率信号。副边接收器能够通过松散耦合的变压器接收无线功率信号，并将接收到的无线功率信号转换成适合于负载的电功率。

在无线电力传输系统的接收器中可能会在无线功率传输系统的接收器中发生过电压事件。过电压事件可能是由于诸如急剧工作频率改变、耦合系数变化等的各种原因造成。过电压事件可能会对接收器的电路造成异常电压应力。

随着无线电力传输系统的功率变得越来越高，可能需要在过电压事件期间有效地保护无线电力传输系统的接收器。

技术实现要素：

本发明的较佳实施例提供了一种在无线电力传输系统的接收器中的过压保护装置，通过该较佳实施例，上述问题和其它问题通常可得到解决或规避，并且通常实现了技术优势。

根据一个实施例，一种装置包括：被配置成将交流电压转换成直流电压的整流器；连接到整流器的输入端的第一过压保护装置；以及连接到整流器的输出端的第二过压保护装置，其中基于装置的开关频率控制第一过压保护装置和第二过压保护装置。

根据另一个实施例，一种方法包括：检测无线电力传输系统的接收器的开关频率，其中接收器包括第一过压保护装置和第二过压保护装置；当开关频率小于预定频率阈值时，激活第一过压保护装置；以及当开关频率大于预定频率阈值时，激活第二过压保护装置。

根据又一个实施例，一种系统包括：被配置成磁耦合到发射器线圈的接收器线圈；连接到接收器线圈的整流器；连接到整流器的输入端的第一过压保护装置；以及连接到整流器的输出端的第二过压保护装置，其中基于接收器线圈两端的电压的频率激活或关闭第一过压保护装置和第二过压保护装置。

本发明的实施例的优点是，无线电力传输系统的接收器中的过压保护装置能够有效地保护接收器和连接到接收器的电子装置，以免其在过电压事件期间受到损坏。

上文相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解以下对本发明的详细描述。下文将描述本发明的额外特征和优点，它们形成本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应明白，可容易地利用公开的概念和特定实施例作为修改或设计用于实现本发明的相同目的的其它结构或过程的基础。本领域技术人员还应意识到，此类等效构造没有偏离随附权利要求中所阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更全面地了解本发明及其优点，现将下述说明与附图一并提出，其中：

图1示出根据本发明的各种实施例的无线电力传输系统的框图；

图2示出根据本发明的各种实施例在图1中示出的接收器的框图；

图3示出根据本发明的各种实施例在图2中示出的过压保护装置的示意图；

图4示出根据本发明的各种实施例用于对图3中示出的接收器运用第一过压保护控制机制的流程图；

图5示出根据本发明的各种实施例用于对图3中示出的接收器运用第二过压保护控制机制的流程图；以及

图6示出根据本发明的各种实施例用于对图3中示出的接收器运用第三过压保护控制机制的流程图。

除非另外指示，否则不同图中的对应数字和符号一般指对应部分。绘制附图是为了清楚地说明各种实施例的相关方面，它们不一定按比例绘制。

具体实施方式

下面详细论述目前较佳的实施例的制作和使用。但是，应明白，本发明提供可在各种各样的特定情境中实施的许多适用的发明概念。论述的特定实施例只是说明制作和使用本发明的特定方式，而不是限制本发明的范围。

将在特定情境(即，无线电力传输系统的接收器中的过压保护装置)中关于较佳实施例描述本发明。但是，本发明也可适用于各种电力系统。下文中，将参考附图详细解释各种实施例。

图1示出根据本发明的各种实施例的无线电力传输系统的框图。该无线电力传输系统100包括级联连接在输入电源102和负载114之间的功率转换器104和无线电力传输装置101。在一些实施例中，采用功率转换器104以便进一步改善无线电力传输系统100的性能。在另一些实施例中，功率转换器104是可选元件。换句话说，无线电力传输装置101可直接连接到输入电源102。

无线电力传输装置101包括功率发射器110和功率接收器120。如图1所示，功率发射器110包括级联连接的发射器电路107和发射器线圈l1。发射器电路107的输入端耦合到功率转换器104的输出端。功率接收器120包括级联连接的接收器线圈l2、谐振电容器cs、整流器112和混合转换器113。如图1所示，谐振电容器cs与接收器线圈l2串联连接，并且进一步连接到整流器112的输入端。整流器112的输出端连接到混合转换器113的输入端。混合转换器113的输出端耦合到负载114。

当将功率接收器120放置在功率发射器110附近时，功率发射器110通过磁场磁耦合到功率接收器120。通过作为功率发射器110的一部分的发射器线圈l1和作为功率接收器120的一部分的接收器线圈l2形成松散耦合的变压器115。因此，可将电功率从功率发射器110传输到功率接收器120。

在一些实施例中，功率发射器110可在充电板内。发射器线圈l1放置在充电板的上表面下方。功率接收器120可嵌入在移动电话内。当将移动电话放在充电板附近时，可在发射器线圈l1和接收器线圈l2之间建立磁耦合。换句话说，发射器线圈l1和接收器线圈l2可形成松散耦合的变压器，通过该变压器，在功率发射器110和功率接收器120之间进行功率传输。发射器线圈l1和接收器线圈l2之间的耦合的强度可通过耦合系数k来量化。在一些实施例中，k在从约0.05到约0.9的范围中。

在一些实施例中，在发射器线圈l1和接收器线圈l2之间建立磁耦合之后，功率发射器110和功率接收器120可形成电力系统，通过该电力系统，将电力从输入电源102无线传输到负载114。

输入电源102可以是用于将公用线路电压转换成直流(dc)电压的电源适配器。在另一些实施例中，输入电源102可以是诸如太阳能电池板阵列的可再生电源。此外，输入电源102可以是任何合适的能量储存装置，比如，可充电电池、燃料电池、其任意组合和/或类似装置。

负载114代表由耦合到功率接收器120的移动装置(例如，移动电话)消耗的功率。在另一些实施例中，负载114可以指串联/并联连接并且耦合到功率接收器120的输出端的一个和/或多个可充电电池。此外，负载114可以是诸如电池充电器的下游功率转换器。

根据一些实施例，发射器电路107可包括全桥转换器的原边开关。在另一些实施例中，发射器电路107可包括诸如半桥转换器、推挽式转换器、其任意组合和/或类似装置的任何其它合适的功率转换器的原边开关。

应注意，上文描述的功率转换器只是示例。本领域技术人员将意识到，取决于设计需要和不同应用，可备选地使用诸如基于e类拓扑的功率转换器(例如，e类放大器)的其它合适的功率转换器。

发射器电路107还可包括谐振电容器(未示出)。谐振电容器和发射器线圈的磁电感可形成谐振回路。取决于设计需要和不同应用，谐振回路还可包括谐振电感器。在一些实施例中，谐振电感器可作为外部电感器实现。在备选实施例中，谐振电感器可作为连接导线实现。

功率接收器120包括接收器线圈l2，在将功率接收器120放到功率发射器110附近之后，接收器线圈l2磁耦合到发射器线圈l1。因此，可将电力传输到接收器线圈，并通过整流器112进一步递送到负载114。功率接收器120可包括如图1所示的次级谐振电容器cs。在本描述通篇中，次级谐振电容器cs可备选地称为接收器谐振电容器。

整流器112将从包括接收器线圈l2和接收器谐振电容器cs的谐振回路接收到的交变极性波形转换成单极性波形。在一些实施例中，整流器112包括全波二极管桥和输出电容器。在备选实施例中，可以用由诸如n-型金属氧化物半导体(nmos)晶体管的开关元件形成的全波桥取代全波二极管桥。

此外，整流器112可由其它类型的可控器件形成，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)器件、双极结型晶体管(bjt)器件、超结晶体管(sjt)器件、绝缘栅双极晶体管(igbt)器件、基于氮化镓(gan)的功率器件和/或类似器件。整流器112的详细操作和结构在本领域中众所周知，因此这里不再论述。

混合转换器113耦合在整流器112和负载114之间。混合转换器113是非隔离式功率转换器。在一些实施例中，混合转换器113作为诸如基于buck电路的降压功率转换器的降压功率转换器实现。在备选实施例中，混合转换器113作为四-开关降压-升压功率转换器实现。

此外，混合转换器113可作为混合功率转换器实现。该混合转换器是非隔离式功率转换器。通过控制混合转换器的开关的打开/关闭，可将混合转换器配置成基于buck电路的降压功率转换器、电荷泵转换器或混合转换器。

取决于设计需要和不同应用，混合转换器可在不同操作模式中操作。更特别地，当负载电流小于预定电流阈值和/或输入电压小于预定电压阈值时，混合转换器可在降压模式中操作。在降压模式中，混合转换器被配置为基于buck电路的降压功率转换器。当输入电压大于预定电压阈值和/或负载电流大于预定电流阈值时，混合转换器可在电荷泵模式或混合模式中操作。更特别地，在一些实施例中，当混合转换器的输出电压与混合转换器的输入电压之比小于0.5时，混合转换器可在电荷泵模式或混合模式中操作。在电荷泵模式中，混合转换器被配置为电荷泵转换器。在混合模式中，混合转换器被配置为混合转换器。

在一些实施例中，混合转换器包括串联连接在整流器112的输出端和负载114的输入端之间的第一开关、电容器和第二开关。混合转换器还包括第三开关和第四开关。第三开关连接在第一开关和电容器的共同节点与第二开关和混合转换器的输出端子的共同节点之间。第四开关连接在电容器和第二开关的共同节点与地之间。

此外，功率转换器113可包括级联连接的第一功率级和第二功率级。第一功率级被配置成在不同模式中操作以便对负载114(例如，可充电电池)有效充电。在一些实施例中，第一功率级可作为降压功率转换器(例如，基于buck电路的降压功率转换器)、四-开关降压-升压转换器、混合转换器及其任意组合实现。第二功率级被配置为分压器或隔离开关。

图2示出根据本发明的各种实施例在图1中示出的接收器的框图。如图2所示，接收器线圈l2和接收器谐振电容器cs串联连接。接收器线圈l2被配置成磁耦合到发射器线圈(未示出)。接收器谐振电容器cs和接收器线圈l2形成接收器谐振回路。

整流器112的两个输入端分别连接到接收器线圈l2和接收器谐振电容器cs。整流器112的输出端连接到功率转换器113的输入端。功率转换器113的输出端连接到负载114。

如图2所示，第一过压保护装置121连接在整流器112的输入端和地之间。更特别地，第一过压保护装置121具有分别连接到整流器112的两个输入端子的两个端子。第二过压保护装置122连接在整流器112的输出端和地之间。下文将关于图2描述第一过压保护装置121和第二过压保护装置122。

在操作中，检测接收器的开关频率，并将它与预定开关频率阈值进行比较。在一些实施例中，在过电压事件期间，当开关频率小于预定开关频率阈值时，激活第一过压保护装置121，并关闭第二过压保护装置122。另一方面，当开关频率大于预定开关频率阈值时，激活第二过压保护装置122，并关闭第一过压保护装置121。

在备选实施例中，当开关频率小于预定开关频率阈值时，既激活第一过压保护装置121，又激活第二过压保护装置122。另一方面，当开关频率大于预定开关频率阈值时，激活第二过压保护装置122，并关闭第一过压保护装置121。

此外，在过电压事件期间，当开关频率小于预定开关频率阈值时，激活第一过压保护装置121，并以可控方式激活第二过压保护装置122。另一方面，当开关频率大于预定开关频率阈值时，激活第二过压保护装置122，并关闭第一过压保护装置121。下文将结合图6描述以可控方式激活第二过压保护装置122的具体实施方式。

图3示出根据本发明的各种实施例在图2中示出的接收器的过压保护装置的示意图。接收器包括接收器线圈l2、接收器谐振电容器cs、整流器112和功率转换器113。如图3所示，接收器谐振电容器cs、整流器112和功率转换器113级联连接在接收器线圈l2和负载114之间。

接收器还包括第一过压保护装置121、第二过压保护装置122和控制装置301。第一过压保护装置121和第二过压保护装置122均用于在过电压事件期间保护接收器免受损坏。控制装置301用于基于诸如接收器的开关频率的不同工作参数控制第一过压保护装置121和第二过压保护装置122的操作。

在一些实施例中，整流器112作为全波整流器实现。在一些实施例中，整流器112包括四个二极管，即d1、d2、d3和d4。如图3所示，二极管d1和d3串联连接在整流器112的输出端子和地之间。同样地，二极管d2和d4串联连接在整流器112的输出端子和地之间。如图3所示，二极管d1和d3的共同节点耦合到接收器线圈l2。二极管d2和d4的共同节点耦合到接收器谐振电容器cs。

在备选实施例中，整流器112可包括四个开关元件。这四个开关元件的连接与图3中示出的二极管整流器的连接类似，并且因此这里不再赘述。

根据一些实施例，整流器112的开关元件具体可以为mosfet或并联连接的mosfet、其任意组合和/或类似元件。根据备选实施例，开关元件可以是绝缘栅双极型晶体管(igbt)器件。在另一些实施例中，初级开关可以是任何可控开关，比如，集成门极换流晶闸管(igct)器件、门极关断晶闸管(gto)器件、可控硅整流器(scr)器件、结栅场效应晶体管(jfet)器件、mos控制晶闸管(mct)器件、基于氮化镓(gan)的功率器件和/或类似器件。

应注意，尽管本描述通篇中的示例基于全波整流器(例如，图3中示出的全波整流器112)，但是图3中示出的接收器的实现可具有许多改变、备选和修改。例如，可备选地采用半波整流器。

总之，限制本文中示出的全波整流器112仅仅是为了清楚地说明各种实施例的发明方面。本发明不限于任何特定功率拓扑。

第一过压保护装置121包括串联连接在整流器的第一输入端和地之间的第一电容器c1和第一开关s1。如图3所示，整流器112的第一输入端是二极管d2和d4的共同节点。如图3所示，第一过压保护装置121还包括串联连接在整流器112的第二输入端和地之间的第二电容器c2和第二开关s2。如图3所示，整流器112的第二输入端是二极管d1和d3的共同节点。

在操作中，当不存在过电压状况时，第一开关s1和第二开关s2关闭。另一方面，在过电压事件下，可打开开关s1和s2。作为打开开关s1和s2的结果，第一电容器c1和第二电容器c2有助于改变接收器的阻抗，从而减小整流器112接收到的功率以及整流器112的输出端上的电压。

第二过压保护装置122包括串联连接在整流器112的输出端和地之间的电阻器r1和第三开关s3。电阻器r1具体可以为功率电阻器。在操作中，当不存在过电压状况时，关闭第三开关s3。另一方面，在过电压事件下，可打开第三开关s3。作为打开第三开关s3的结果，电阻器r1分流非预期的功率，从而减小整流器112的输出端上的电压。

应注意，通过控制装置301控制第一过压保护装置121和第二过压保护装置122的操作。如图3所示，控制装置301包括比较器302和控制电路304。在一些实施例中，比较器302作为具有合适滞后的比较器实现。比较器302的滞后有助于在第一过压保护装置121和第二过压保护装置122之间平稳转变(例如，激活一个保护装置并关闭另一个保护装置)。

如图3所示，比较器302的反相输入端被配置成接收接收器的开关频率信号。更特别地，利用感测设备(未示出)来检测接收器线圈l2的电流/电压的开关频率并生成开关频率信号。将开关频率信号反馈到比较器302中。比较器302的非反相输入端被配置成接收预定开关频率阈值。在一些实施例中，预定开关频率阈值为约150khz。

控制电路304被配置成接收比较器302的比较结果以及诸如电阻器r1的温度、过电压事件触发信号等其它合适的工作参数。基于接收到的信号，控制电路304确定开关s1、s2和s3的打开/关闭。换句话说，控制电路304用于基于接收到的信号生成保护控制机制。下文将结合图4-6描述详细的保护控制机制。

图4示出根据本发明的各种实施例用于对图3中示出的接收器运用第一过压保护控制机制的流程图。图4中示出的该流程图只是示例，它不应过度限制权利要求的范围。本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如，图4中示出的各种步骤可增加、去除、取代、重新排列和重复。

在步骤402，通过合适的感测设备或多个感测装置检测无线电力系统的开关频率。通过控制器处理检测到的开关频率。特别地，将检测到的开关频率与预定开关频率阈值进行比较。

无线电力系统的接收器包括如图3所示的第一过压保护装置121和第二过压保护装置122。第一过压保护装置121包括两个可控的开关-电容器网络。第二过压保护装置122包括可控功率电阻器。

在步骤404，在过电压事件期间，当开关频率小于预定开关频率阈值时，激活第一过压保护装置121，并关闭第二过压保护装置122。

在步骤406，在过电压事件期间，当开关频率大于预定开关频率阈值时，激活第二过压保护装置122，并关闭第一过压保护装置121。

图5示出根据本发明的各种实施例用于对图3中示出的接收器运用第二过压保护控制机制的流程图。图5中示出的该流程图只是示例，它不应过度限制权利要求的范围。本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如，图5中示出的各种步骤可增加、去除、取代、重新排列和重复。

在步骤502，通过合适的感测设备或多个感测装置检测无线电力系统的开关频率。通过控制器处理检测到的开关频率。特别地，将检测到的开关频率与预定开关频率阈值进行比较。

无线电力系统的接收器包括如图3所示的第一过压保护装置121和第二过压保护装置122。第一过压保护装置121包括两个可控的开关-电容器网络。第二过压保护装置122包括可控功率电阻器。

在步骤504，在过电压事件下，当开关频率小于预定开关频率阈值时，激活第一过压保护装置121和第二过压保护装置122。

在步骤506，在过电压事件下，当开关频率大于预定开关频率阈值时，激活第二过压保护装置122，并关闭第一过压保护装置121。

在开关频率大于预定开关频率阈值时激活第二过压保护装置122的一个有利特征是，相对较小的功率电阻器便可实现过压保护功能，因为在高频操作下接收到的功率较低。相对较小的功率电阻器可分流功率，从而减小整流器的输出端的电压。在一些实施例中，第二过压保护装置122的电阻器r1作为功率电阻器实现。该功率电阻器是额定用于约2w的100ohm电阻器。

图6示出根据本发明的各种实施例用于对图3中示出的接收器运用第三过压保护控制机制的流程图。图6中示出的该流程图只是示例，它不应过度限制权利要求的范围。本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如，图6中示出的各种步骤可增加、去除、取代、重新排列和重复。

在步骤602，通过合适的感测设备或多个感测装置检测无线电力系统的开关频率。通过控制器处理检测到的开关频率。特别地，将检测到的开关频率与预定开关频率阈值进行比较。

无线电力系统的接收器包括如图3所示的第一过压保护装置121和第二过压保护装置122。第一过压保护装置121包括两个可控的开关-电容器网络。第二过压保护装置122包括可控功率电阻器。

在步骤604，当开关频率小于预定开关频率阈值时，激活第一过压保护装置121，并以可控方式激活第二过压保护装置122。

可通过诸如电阻器r1的温度的其它工作参数来控制第二过压保护装置122。在操作中，通过合适的温度感测设备来检测第二过压保护装置122的温度。当第二过压保护装置122的温度大于预定温度阈值时，可临时关闭第二过压保护装置122。换句话说，通过开关频率和温度来控制第二过压保护装置。

将第二过压保护装置122配置成以可控方式操作的一个有利特征是，上文描述的温度控制机制有助于改善无线电力传输系统的接收器的可靠性。

在步骤606，当开关频率大于预定开关频率阈值时，激活第二过压保护装置122，并关闭第一过压保护装置121。

尽管详细描述了本发明的实施例及其优点，但是应了解，在不偏离由随附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可在本文中进行各种改变、替换和备选。

而且，不希望本申请的范围局限于本说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法和步骤的特定实施例。本领域技术人员将从本发明的公开内容容易地明白，根据本发明，可利用与本文中描述的对应实施例执行大体上相同的功能或实现大体上相同的结果的目前现有或以后要开发的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。因此，希望随附权利要求在它们的范围内包含此类过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。